使用模擬控制器構(gòu)建低成本無橋 PFC設(shè)計

我介紹了帶有標(biāo)準(zhǔn) PFC 控制器的半無橋 PFC 作為低成本、高效率 PFC 的候選者。由于效率要求不斷增長，許多電源制造商開始將注意力轉(zhuǎn)向無橋功率因數(shù)校正(PFC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般而言，無橋PFC可以通過減少線路電流路徑中半導(dǎo)體元器件的數(shù)目來降低傳導(dǎo)損耗。盡管無橋PFC的概念已經(jīng)提出了許多年，但因其實施難度和控制復(fù)雜程度，阻礙了它成為一種主流拓?fù)?。本文重點介紹具有模擬轉(zhuǎn)換模式 PFC 控制器的半無橋 PFC 的關(guān)鍵設(shè)計注意事項。

大多數(shù)現(xiàn)今的數(shù)字電源控制器(例如：TI的融合數(shù)字電源控制器UCD30xx)都提供了許多的集成電源控制外設(shè)和一個電源管理內(nèi)核，例如：數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償器，快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，具有內(nèi)置停滯時間的高分辨率數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)，以及低功耗微控制器等。它們都對無橋PFC等復(fù)雜高性能電源設(shè)計具有好處。

標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模式 PFC 控制器依靠電流檢測和零電流檢測 (ZCD) 電路的檢測結(jié)果作為驅(qū)動信號的開/關(guān)觸發(fā)器。電流檢測電路用于檢測電感電流的峰值以關(guān)閉開關(guān)。ZCD 電路檢測電感電流的零電流點以打開開關(guān)。如圖 1 所示，半無橋 PFC 有兩個開關(guān)腿，S 1和 S 2，而不是標(biāo)準(zhǔn) PFC 中的一個腿。最重要的任務(wù)變成了如何將兩個電流感應(yīng)信號從開關(guān)腿饋送到一個電流感應(yīng)引腳，以及如何將兩個 ZCD 信號饋送到標(biāo)準(zhǔn) PFC 控制器的一個 ZCD 引腳。

圖 1. 半無橋 PFC 電路的功率級。

電流感應(yīng)設(shè)計

當(dāng)功率水平較高時，半無橋轉(zhuǎn)換模式 PFC 是有益的。此處推薦使用圖 2 所示的電流互感器電流檢測電路。代替使用與S 1和S 2串聯(lián)的電流檢測電阻器，使用電流互感器可以大大降低檢測電路的功耗。此外，帶有電流互感器的電流檢測電路中的二極管可確保檢測到來自所需開關(guān)支路的峰值電流。

圖 2. 半無橋轉(zhuǎn)換模式 PFC 電路的電流檢測電路。

零電流檢測設(shè)計

在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模式升壓 PFC 電路中，零電流檢測通常通過檢測來自 PFC 電感器輔助繞組的電壓信號來完成(圖 3)。內(nèi)部比較器檢測輔助繞組上的電壓極性變化作為 S 1的開啟信號。但是，該電路在半無橋 PFC 情況下是不切實際的。一種選擇是將用于過渡模式升壓 PFC 的 ZCD 電路應(yīng)用于半無橋 PFC 中的兩個電感器，其中阻塞二極管與 ZCD 限流電阻器串聯(lián)。然而，阻塞二極管擴(kuò)展了 V ZCD下降持續(xù)時間并使 ZCD 引腳對噪聲敏感，從而導(dǎo)致不正確的觸發(fā)和保護(hù)。串聯(lián) RC 不使用電感輔助繞組，而是提供了一種簡單的檢測選項。當(dāng)S 1和S 2都關(guān)斷時，仍有一個開關(guān)(一般為MOSFET)通過其體二極管導(dǎo)通電流。因此，在兩個開關(guān)腿之間產(chǎn)生了電壓差。ZCD 電路中的電容器被充電并導(dǎo)致 V ZCD > V REF。當(dāng)電感電流達(dá)到零時，電壓差變?yōu)榱?，這使得 V ZCD < V REF 并觸發(fā)導(dǎo)通事件。

圖 3. 用于過渡模式升壓和半無橋 PFC 的零電流檢測電路。

上述電流感應(yīng)和 ZCD 電路已應(yīng)用于PMP9640?– 310W PSU，使用過渡模式無橋 PFC 和 LLC-SRC。PMP9640 中的半無橋 TM PFC 性能在圖 4 中與 PMP9531 中的標(biāo)準(zhǔn) TM PFC 設(shè)計進(jìn)行了比較。在輕載到中載范圍內(nèi)，半無橋 PFC 與升壓 PFC 相比，效率提高了接近 1%。

圖 4. PMP9531 中的轉(zhuǎn)換模式升壓 PFC和 TI 的PMP9640參考設(shè)計中的半無橋 TM PFC 的PFC 效率。